Впоследствии, с учетом сцепления болезни Вильсона с локусом гена D-эстеразы эритроцитов, ученые смогли определить, что ген болезни Вильсона расположен на длинном плече 13 хромосомы. Последующие исследования были направлены на определение его локализации в хромосоме.

Прорыв в понимании молекулярной основы нарушенного метаболизма меди при болезни Вильсона произвело открытие гена болезни Менкеса — другого редкого наследственного заболевания с нарушением метаболизма меди, и идентификация продукта гена, АТР7А — катион-транспортирующей АТФазы P-типа, отвечающей за транспорт меди во многих тканях. Эктраполяция данных, касающихся АТФазы P-типа, переносящей медь, на модель болезни Вильсона способствовала появлению гипотезы, что нарушение связывания меди с церулоплазмином, недостаточную секрецию меди с желчью и ее накопление в печени можно объяснить мутацией гена, кодирующего определенный переносчик меди в печени.

Выделение и идентификация гена АТР7В, ответственного за развитие болезни Вильсона, последовали сразу за открытием гена болезни Менкеса. Ген был определен практически одновременно тремя независимыми лабораториями. Идентичность гена подтвердили при обнаружении специфических мутаций, характерных для больных с клинически и биохимически доказанным заболеванием. ДНК состоит из 22 экзонов; они кодируют примерно 7,8 kb и РНК, которая интенсивно экспрессируется в печени. Анализ последовательностей гена указывает на то, что АТР7В принадлежит к семейству АТФ-зависимых транспортеров металлов, стойко сохраняющихся в процессе эволюции, показаны специфические участки с известной гомологией к АТФазам и переносчикам металлов.

Определено более 200 мутаций гена АТР7В, специфичных для заболевания. Большинство мутаций в настоящее время индентифицированы как точечные, приводящие к замене аминокислот. Однако также существуют сообщения о делеции, инсерции, миссенс-мутациях и мутациях сплайсипга. Поскольку среди представителей определенной популяции или этнической группы часто находят определенные мутации, для диагностики заболевания используют прямые анализы на детекцию мутаций. Анализ гаплотипа можно с успехом использовать при генетическом исследовании родственников больных. Чаще всего описывают точечную мутацию, приводящую к замене гистидина на глутамин, ее обнаруживают примерно у 30% европейцев. Только в одной австралийской популяции частота этой мутации выше. Большинство мутаций локализуются в нескольких трансмембранных участках белка и в участке, предположительно отвечающем за связь с АТФ. Существуют данные, что мутации, приводящие к исчезновению белка АТР7В, могут вызывать более тяжелые фенотипические проявления, но не все исследования подтверждают эту гипотезу. Другие исследователи предполагают, что фенотип болезни Вильсона может менять экспрессия другого гена — АРОЕ. Фенотип заболевания также может меняться из-за полиморфизма других генов, отвечающих за метаболизм меди: предполагают, что MURR1 — это ген, ответственный за токсическое действие меди у терьеров Bedlington, но функции его все еще неясны. Продолжаются дальнейшие разработки, направленные на определение связи между фенотипической картиной или проявлениями болезни Вильсона с генотипом АТР7В и экспрессией других потенциально модифицирующихся генов.

Медь — это основной кофактор многих ферментов и белков, она играет важную роль в мобилизации тканевых запасов железа. Всосавшаяся медь из портального кровотока попадает в гепатоциты, возможно, с помощью недавно обнаруженного на поверхности клеток человека переносчика меди. В клетке медь связывается с низкомолекулярными лигандами, например с глутатионом 140, металлотионином и НАН1, они отвечают за ее транспорт или хранение, в последующем медь включается в клеточный метаболизм, входит в состав секреторного гликопротеина или выводится с желчью.

Переход меди из гепатоцита в желчь имеет ключевое значение в обмене этого металла, поскольку медь, поступившая в желчь, практически не включается в энтеропеченочную циркуляцию. Считают, что перенос меди в желчь осуществляется с помощью везикулярного транспорта, который зависит от работы белка АТР7В. Предполагают, что этот белок в основном расположен в комплексе Гольджи гепатоцита. Интерес представляют недавние исследования соответствующего белка болезни Менкеса, АТР7А: отмечают, что этот белок меняет свою внутриклеточную локализацию в ответ на увеличение концентрации меди. Хотя при исследованиях белка АТР7В также показано, что в ответ на нагрузку медью он переходит в везикулы, каким образом это перераспределение влияет на функцию белка, еще предстоит выяснить. Предполагают, что везикулярный транспорт играет основную роль в выделении меди в желчь. Однако другие исследователи предположили, что белок АТР7В расположен возле канальцевой мембраны и при увеличении внутриклеточной концентрации меди перемещается непосредственно на нее. Если бы белок АТР7В располагался в этой зоне, он должен был бы непосредственно участвовать в переносе меди в желчь. Присутствует ли белок АТР7В на канальцевой мембране или переносит медь через мембрану с помощью везикулярного транспорта, отсутствие или снижение функции белка АТР7В приводит к уменьшению экскреции меди в желчь, из-за чего при болезни Вильсона и происходит накопление металла в печени, и медьсодержащий белок выходит из гепатоцита. Чтобы попасть в биосинтез церулоплазмина, вновь поступившая медь должна пройти через мембрану органеллы, этот процесс зависит от АТР7В и отсутствует или снижен у больных с болезнью Вильсона. Полагают, что нарушение связывания меди с церулоплазминам у больных с болезнью Вильсона приводит к снижению концентрации этого белка в крови, так как без меди он обладает меньшей стабильностью.

Когда концентрация меди в клетке превышает допустимые значения, может развиваться поражение печени. К токсическим эффектам избыточного количества меди относят образование свободных радикалов, перекисное окисление липидов мембраны и ДНК, подавление синтеза белков, снижение содержания антиоксидантов в клетке. Недавно появились данные, что поврежденные медью клетки могут запускать как некроз, так и апоптоз гепатоцитов. Если медь вызывает повреждение, функциональное состояние печени зависит от хрупкого равновесия между повреждением, гибелью и регенерационными способностями клеток печени.

Когда клетки печени уже не способны накапливать медь или когда медь высвобождается из поврежденных клеток в циркулирующую кровь, в крови повышается концентрация меди, не связанной с церулоплазмином. Считают, что именно этот пул отвечает за отложение меди в других тканях. Наиболее значимая локализация внепеченочного отложения меди — головной мозг; неврологические и психические проявления заболевания, характерные изменения при радиологическом исследовании мозга, обусловлены токсическим действием меди на ткань головного мозга.